[發(fā)明專利]一種硅微陀螺的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610194450.8
• 申請(qǐng)日: 2016-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN105758402B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐大誠(chéng);盛斌;盧月娟;錢超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/18
• 分類號(hào): G01C21/18;G01C21/20
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 李陽(yáng)

本發(fā)明涉及一種硅微陀螺的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，由硅微陀螺敏感單元、敏感信號(hào)讀出接口電路、第一級(jí)量化器(多bit的ADC)、基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理器、反饋電壓生成電路(模擬開關(guān))組成。敏感信號(hào)讀出接口電路將硅微陀螺敏感模態(tài)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)第一級(jí)量化器采樣量化輸入到FPGA中進(jìn)行全數(shù)字化處理，經(jīng)相位補(bǔ)償、環(huán)路濾波以及第二級(jí)量化變成1bit的數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過反饋電壓生成電路反饋到陀螺的反饋校正電極上，構(gòu)成一個(gè)2+N階的sigma?delta閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，其中N≥0為環(huán)路濾波器的階數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種硅微陀螺的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，屬于利用柯式效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)

硅微陀螺是一種利用柯式效應(yīng)測(cè)量角速度的微機(jī)械器件，由于其體積小以及價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)、航空航天、消費(fèi)電子、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與光纖陀螺、激光陀螺等相比制約硅微陀螺應(yīng)用的主要瓶頸在于精度偏低，因此降低系統(tǒng)溫度漂移，提高分辨率及穩(wěn)定性等成為研究熱點(diǎn)。

閉環(huán)反饋的控制方法通過施加反饋力，使得質(zhì)量塊回到平衡位置，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍、線性度、帶寬以及穩(wěn)定性等性能的提升。盡管目前有很多實(shí)現(xiàn)檢測(cè)閉環(huán)的方法，電機(jī)sigma-delta調(diào)制閉環(huán)是最具吸引力的，因?yàn)樗銐蚝?jiǎn)單，能夠提供直接的數(shù)字輸出，沒有模擬力反饋閉環(huán)的靜電吸合現(xiàn)象，并且容易用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)sigma-delta調(diào)制器將微機(jī)械慣性傳感器引入調(diào)制器環(huán)路中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了敏感檢測(cè)反饋閉環(huán)，在最近的25年內(nèi)得到了深入研究與長(zhǎng)足發(fā)展。

二階sigma-delta調(diào)制閉環(huán)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定在2000年左右受到了廣泛研究，但由于二階系統(tǒng)中量化噪聲在各種噪聲源中占主導(dǎo)地位且不能通過提高采樣率的方法來(lái)改善，無(wú)法滿足性能要求。博世公司的V.P.Petkov以及BSAC的B.E.Boser于2005年提出了一種MEMS陀螺的四階sigma-delta閉環(huán)控制電路(其環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)屬于圖5所述的結(jié)構(gòu))，量化噪聲不再占主導(dǎo)地位相對(duì)于電噪聲已經(jīng)可以忽略，其環(huán)路濾波器以及相位補(bǔ)償器均采用開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)。同時(shí)期英國(guó)南安普頓大學(xué)董云峰Michael Kraft等人提出MEMS陀螺6階連續(xù)帶通sigma-delta閉環(huán)控制電路(其環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)屬于圖6所述的結(jié)構(gòu))獲得了較高的信噪比以及帶寬穩(wěn)定性等指標(biāo)，其環(huán)路濾波器、相位補(bǔ)償器均由模擬電路構(gòu)成，量化器由比較器與觸發(fā)器構(gòu)成。

采用開關(guān)電容積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間環(huán)路濾波器，需要設(shè)計(jì)專用ASIC，從設(shè)計(jì)、流片到驗(yàn)證需要很長(zhǎng)的周期，且環(huán)路濾波器相位補(bǔ)償器系數(shù)修改不易，設(shè)計(jì)代價(jià)大，靈活性不強(qiáng)。而采用模擬電路(運(yùn)放)構(gòu)建積分器或諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間環(huán)路濾波器，需要額外的邏輯運(yùn)算單元來(lái)實(shí)現(xiàn)HRZ/RZ反饋，另外這種電路實(shí)現(xiàn)方法功耗大，而且模擬電路部分多容易受到溫度影響。現(xiàn)有硅微陀螺sigma-delta閉環(huán)控制系統(tǒng)的環(huán)路濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)比較敏感，適應(yīng)性不強(qiáng)，且設(shè)計(jì)難度大，需要一種相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)不敏感適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于FPGA的硅微陀螺數(shù)字化sigma-delta敏感閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，以克服開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)方案以及連續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)方案的靈活性差、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)難度大，模擬電路部分多等一系列的問題。

本發(fā)明的硅微陀螺的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，包括讀取所述硅微陀螺敏感信號(hào)的接口電路、與所述接口電路連接的第一級(jí)量化器、與所述第一級(jí)量化器連接的基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理器，以及連接所述數(shù)字信號(hào)處理器與所述硅微陀螺的反饋電壓生成電路，所述數(shù)字信號(hào)處理器包括與所述第一級(jí)量化器連接的相位補(bǔ)償器、與所述相位補(bǔ)償器連接的環(huán)路濾波器，以及與所述環(huán)路濾波器連接的第二級(jí)量化器，所述第二級(jí)量化器的輸出端與所述反饋電壓生成電路連接。

進(jìn)一步的，所述第一級(jí)量化器為多bit量化器，所述第二級(jí)量化器為1bit量化器。

進(jìn)一步的，所述第一級(jí)量化器為逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。